Systemfähiger Frequenzumrichter mit Vektorregelung

ANTRIEBSTECHNIK
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Systemfähige Frequenzumrichter mit
feldorientierter Vektorregelung
Modularer Aufbau ermöglicht individuelle Anpassung an
Aufgabenstellung
Die neue Frequenzumrichtergerätereihe ‚DV4‘ bringt die feldorientierte
Vektorregelung in den unteren Leistungsbereich. Eingebunden in das Automatisierungskonzept
von Moeller ermöglicht die Drehmoment- und Drehzahlregelung
(wahlweise sensorlos) vielseitige Einsatzmöglichkeiten bei
unterschiedlichsten Anforderungen. Die individuelle Zusammenstellung für
die verschiedenen Aufgaben ist aufgrund des modularen Aufbaus schnell
und einfach möglich.
F
requenzumrichter sind aus modernen
Antriebskonzepten nicht mehr wegzudenken.
In Verbindung mit dem Drehstrom-
Asynchronmotor – der weltweit am häufigsten
eingesetzten elektrischen Antriebsmaschine –
bieten sie wesentliche Vorteile gegenüber anderen
Antriebsarten. Grund dafür sind die vielfältigen
Einsatzmöglichkeiten. Anwendungen
wie bei Pumpen und Ventilatoren oder der
Vorschub von Transport- und Montagebändern
sind naheliegend. Weitere Anwendungen
sind Rührwerke, Flaschenabfüllanlagen,
Textil- und Druckmaschinen sowie Werkzeugund
Produktionsmaschinen. Ein weites
Spektrum, dass in der Vergangenheit zu
unterschiedlichsten Ausprägungen von
Frequenzumrichtern geführt hat, wie einfache
U/f-Umrichter für Pumpen und
Lüfter, teilweise leistungsoptimiert für
quadratische Lastkennlinien. Doch was
ist zu tun, wenn die Anforderungen an
das vorhandene System steigen? Oft war
es der Frequenzumrichter, der seine technischen
Grenzen erreichte und daher
auszutauschen war. Der Kunde hatte
hier die Qual der Wahl: Für jede Applikation
ein spezielles Gerät oder einen
universellen ‚Alleskönner‘, dessen Fähigkeiten
dann nur zu etwa 20% genutzt werden?
Hier setzt die neue Frequenzumrichterlösung
von Moeller an: Schon das Grundgerät ist mit
umfangreichen Funktionen versehen. Dem
. Autor
Dipl.-Ing. JÖRG RANDERMANN
ist bei Moeller in Bonn Leiter
des Produktmarketings Drives.
Er studierte in Köln Automatisierungstechnik
und ist
seit 1981 bei Moeller im Bereich
regelbare Antriebe und
Leistungselektronik tätig.
Anwender steht ein innovatives Leistungsteil
zur Verfügung, mit Netzgleichrichter
und integriertem EMV-Filter, Gleichspannungszwischenkreis
mit Schaltnetzteil und
IGBT-Wechselrichter mit Bremstransistor
sowie einem Thermistoreingang und
einem Relaisausgang. Schon in dieser
Grundversion erfüllt der ‚DV4‘ als Softstarter
mit Nennmoment den sanften
Motorstart – auch bei schweren Lasten –
wie er bei Rolltreppen, Förderschnecken
und Steinbrechern gefordert wird.
Dank eines modularen Aufbaus und der
Abb. 2: Über das
Ein-/Ausgabemodul
DE4-IOM-STD-F kann
der Frequenzumrichter
analog und digital
angesteuert werden
standardisierten Funktionen und Baugruppen
ist ein individueller Ausbau zum Frequenzumrichter
möglich. Vom Anwender werden
dazu nur die Bausteine gewählt, die für die
Lösung der gestellten Antriebsaufgabe erforderlich
sind. Zu den bekanntesten Betriebsarten
gehören:
. Die einfache proportionale Steuerung von
Motorspannung und Motorfrequenz (U/f)
für einfache Pumpen- und Lüfterantriebe
mit quadratischer Lastkennlinie
. Die hochgenaue U/f-Steuerung mit linearer
Kennlinie bis 87 Hz und der Parallelbetrieb
mehrerer Motoren an einem Frequenz-
Abb. 1: Der Frequenzumrichter DV4 kann
vom Anwender an die Applikation angepasst
werden
umrichter bei Fahrwerkantrieben von Portal-
und Brückenkranen
. Die flussgesteuerte Vektorregelung im
Drehzahl- und Drehmomentbereich bei
Wickel- und Hubantrieb – und dies ohne
Istwert-Rückführung (sensorless).
Der applikationsabhängige Ausbau des Frequenzumrichters
mit z.B. Netzdrossel, Bremswiderstand,
Kommunikationsbaugruppe usw.
bringt für den Kunden Kostenvorteile, da diese
Komponenten bereits bei anderen Gerätereihen
von Moeller (z.B. Softstarter DM4, Frequenzumrichter
DF4) zum Einsatz kommen:
Der Anwender kann dadurch die Typenvielfalt
und damit Lagerplätze reduzieren.
Vektor-Tuning
Die sensorlose Vektorregelung ermöglicht
Regeleigenschaften im Drehzahl- und Drehmomentenbereich,
die bisher im mittleren
Leistungsbereich nur großen und aufwendigen
Frequenzumrichtern vorbehalten war und
durch Servoregler oder Gleichstromantriebe
im unteren Leistungsbereich realisiert wurde.

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MÄRZ/APRIL 2000 3
Hierzu zählen gute Rundlaufeigenschaften im
gesamten Drehzahlbereich (Drehzahlkonstanz
kleiner 1% n/n N , ohne Rückführung),
1,8faches Drehmoment, auch bei Drehfeldfrequenzen
kleiner 1 Hz und Drehmomentanregelzeiten
bei vollen Laststößen von etwa
200 ms. Eigenschaften, mit denen die Prozessqualität
und der Nutzen für den Maschinenund
Anlagenbau verbessert wird. Applikationen
mit aufwendigen und störanfälligen Drehzahlgebern
(Encoder, Tacho) dürfen in Frage
gestellt werden, wenn im sensorlosen Vektorbetrieb
der Frequenzumrichter DV4 über den
gesamten Regelbereich eine Drehzahlkonstanz
kleiner ±0,1 Hz ermöglicht.
Integrierte Zusatzfunktionen
Die Frequenzumrichter bieten bereits in der
Standardausführung weitere wichtige Funktionen:
. Der integrierte netzseitige EMV-Filter hält
die leitungsgebundenen Störungen in den
seitens der EMV-Produktnorm für regelbare
Antriebe (IEC/EN 61800-3) vorgegebenen
Grenzen.
. Bei Applikationen mit hoher Bremsenergie
(Hubwerke, Wickler) kann durch den integrierten
Bremstransistor auf zusätzliche
Bremsgeräte verzichtet werden.
. Die Betriebssicherheit wird durch die Überwachung
der Motortemperatur erhöht. Der
integrierte Thermistorschutz ermöglicht
den Anschluss von PTC-Widerständen
(Kaltleitern) oder Temperaturkontakten.
. Bei Lüfter- und Pumpenantrieben bietet
neben der Motorfangschaltung der integrierte
PID-Regler weitere Vorteile der prozessoptimierten
Regelung (z.B. Druck,
Durchfluss, Drehzahl).
. Frei parametrierbares Relais mit Wechsler-
Kontakt zur potentialfreien Meldung von
Betriebszuständen.
Der große Vorteil der sensorlosen Vektortechnologie
liegt in der Regelung des
Motorflusses auf einen Wert, der dem
Nennfluss des Motors entspricht. Dadurch
wird auch bei Asynchronmotoren eine
dynamische Drehmomentregelungen wie
bei Gleichstrommotoren möglich.
Bei der sensorlosen Vektorregelung wird
aus den gemessenen Größen von Ständerspannung
(u1) und Ständerstrom (i1)
die flussbildende Größe iµ und die
drehmomentbildende Größe iw berechnet.
Die Berechnung erfolgt in einem
Offen für
Kommunikation
Abgestimmt auf die Systemlösung bietet der
DV4 mit zwei Schnittstellen eine hohe Flexibilität.
Die verschiedenen optionalen Module
und Baugruppen ermöglichen dabei eine
Vielzahl von Konfigurationen. Die Bedieneinheit
DE4-KEY-3 ermöglicht die Kommunikation
mit dem Gerät, den Zugriff auf alle Parameter
und den Parametertransfer zu anderen
DV4-Geräten. Die Parameter können individu-
Abb. 3: Die aufsteckbare Bedieneinheit DE4-
Key-3
ell zwei verschiedenen Anwenderebenen zugeordnet
(z.B. Drehzahländerung durch das
Bedienpersonal) und über Passwort geschützt
werden.
Über die serielle Schnittstelle DE4-COM-2X
(RS 232/485) und einer unter Windows lauffähigen
Software erhält der Anwender mit
Hilfe eines PCs den Zugriff auf alle Parameter.
Wichtige Antriebsparameter wie Strom oder
Frequenz können dabei auch grafisch angezeigt
werden.
Vereinfachtes Ersatzschaltbild des Asynchronmotors und zugehörige
Stromvektoren
dynamischen Motormodell (elektrisches
Ersatzschaltbild des Drehstrommotors) mit
adaptiven Stromreglern, unter Berücksichtigung
der Sättigung des Hauptfelds
Die Systemfähigkeit beginnt mit der Einbindung
in gängige Automatisierungskonzepte
und Feldbussysteme. Hier werden Profibus DP
(DE4-NET-DP), Suconet K (DE4-NET-K) und
Interbus (DE4-NET-S) unterstützt.
Für die Ansteuerung über Klemmen ist ein
Funktionsmodul erforderlich. Dieses wird im
Gerät durch Aufstecken auf den zweiten Steckplatz
integriert. Das Ein-/Ausgabemodul DE4-
IOM-STD-F ermöglicht die analoge und digitale
Ansteuerung des Frequenzumrichters über
eine steckbare Schraubklemmenleiste. Die
genormten analogen (0...+10 V, 0/4... 20 mA)
und digitalen Signale (+24 V) sind galvanisch
vom Reglerteil des Frequenzumrichters
getrennt.
Eingebunden
im Gesamtkonzept
Die Frequenzumrichter der Reihe DV4 sind
voreingestellt und können nach Aufbau und
elektrischem Anschluss direkt gestartet werden.
Die Geräte sind im Leistungsbereich von
0,25 kW bis 2,2 kW für die Bemessungsspannung
230 V und im Bereich von 0,55 bis
2,2 kW für 400 V definiert. Die 230-V-Versionen
ermöglichen den Anschluss an 115 V und
240 V, die 400-V-Versionen 460 V und 500 V.
Bereit für den weltweiten Einsatz an 50-/60-
Hz-Netzen, erfüllen die Umrichter die europäischen
(CE) und amerikanischen (UL)
Normen.
Einheitliche Anschlussbezeichnungen und
Schaltbilder erleichtern die Projektierung.
Die den Frequenzumrichtern DV4 eindeutig
zugeordneten Schaltgeräte, Schutzorgane,
Drosseln, Filter und Bremswiderstände sind in
der Anwenderdokumentation aufgelistet.
INFO-SERVICE: #09
und der Eisenverluste.
Die beiden Stromkomponenten
werden
dabei nach Betrag
und Phase in einem
umlaufenden
Koordinatensystem
(w) zum ständerfesten
Bezugssystem (α, β)
gesetzt. Die für das Modell erforderlichen
physikalischen Motordaten werden aus
den eingegebenen und den gemessenen
(Selftuning) Parameter gebildet.